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PCB技術

PCB技術 - 確定電路板材料Dk和Df的測試方法

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PCB技術 - 確定電路板材料Dk和Df的測試方法

確定電路板材料Dk和Df的測試方法
2023-03-20
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Author:愛彼電路      分享文章

Dk是介電常數用 ε r表示,Df是損耗因數用Tan δ 表示。 確定電路材質的Dk和Df的測試方法多種多樣,比如IPC有12種確定材質Dk的測試方法,行業組織、大學或企業也有各自的測試方法。 

有一本關於微波材質特性的書籍中介紹了80多種評估電路材質Dk和Df的測試方法。 歸根結底,沒有一種測試方法是完美的,電子工程師應該採用最能呈現出其產品電路形式的測試方法。 現在將說明電路板PCB材質的Dk和Df的測試方法,以及介紹一些常用的確定Dk和Df的測試方法。


材質測試方法

測試高頻電路材質的方法總的可以分為基於原材料測試方法和基於電路的測試方法兩大類。 基於原材料測試方法通常使用夾具來評估介質原材料特性。 這類測試方法僅僅評估原材料的特性,而不包含電路加工變數。 基於電路的測試方法利用電路載體,根據測試的電路效能選取得到Dk(有時也選取Df)。 由於基於材質的測試方法的精度取決於夾具變數,而基於電路的測試方法取決於電路加工的變數,囙此,通過這兩種不同類型測試方法得到的Dk/Df值可能並不相同。

同時,測試方法將根據電場朝向的不同得到不同方向維度的材質的Dk/Df值。 有些測試方法測試Z軸(厚度軸)的Dk/Df值,而有些測試方法則是X-Y平面的Dk/Df值。 PCB行業中使用的大多數電路材質都是各向異性的,即在每個方向維度上的Dk/Df都是不同的。 囙此,如果使用兩種不同的測試方法測試同一個材質樣品,可能獲得不同的Dk值,但這兩個值都是正確的。 如果材質是各向異性的,在測試相同材質時,一種方法評估的是材質的Z軸的Dk值,而另一種方法評估X-Y平面的Dk值,囙此,兩種不同測試方法會測得不同的Dk值。

測試方法也需考慮的其他因素包括如材質色散、銅箔表面粗糙度以及傳輸/反射科技的使用等。 所有材質都有色散,這意味著Dk將隨頻率的變化而變化。 囙此,如果對同一材質使用相同的測試方法,但測試頻率不同,Dk值也會存在差异。 總的說來,隨著頻率的新增,Dk值將略微减小。

無論原介質材質Dk值大小,銅箔表面粗糙度都會减慢訊號的波的傳播。 訊號在介質中傳播速率較慢的可以視為介質具有更高的Dk值。 一些測試方法對銅箔表面粗糙度敏感,而一些測試方法則不敏感。

最後,普遍認為,使用諧振的測試方法通常比使用傳輸/反射的測試方法更精確。 諧振測試方法通常更精確,但通常只能測試單個或多個離散頻率下的Dk結果。 而傳輸/反射法則可以在寬頻帶上給出Dk隨頻率的變化情况。


介電常用DK測試儀

介電常用DK測試儀

那麼PCB行業有什麼 常用的Dk/Df測試方法呢?

1、IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段夾緊帶狀線諧振器測試方法

在層壓板生產完成後,需要蝕刻去除銅箔,僅將介質原材料樣品放入夾具中進行測試。 夾具在中間有非常薄的諧振片,諧振片兩側是接地面,將待測試介質材質(material under test,簡稱MUT)置於諧振片和接地面之間。 當夾具通過壓力夾合在一起時,夾具與被測材質則形成了地-訊號-地的帶狀線RF結構,更具體地說就是地-MUT-訊號-MUT-地的結構。 本測試方法可評估材質Z軸的Dk和Df,其測試頻率可以從2.5 GHz開始到約12.5 GHz的一些離散頻率點。 但通常,該測試方法僅評估10 GHz下的相對更為精確的頻率點。

該測試方法的一個缺點是,由於夾具裡面的殘留空氣(空氣的Dk值約為1)的問題,測得的Dk值有時會略低於材質的本身的Dk值。 另一個擔憂是,當測試的材質具有高各向異性(在所有3個軸上的Dk都不相同)時,諧振峰可能會發生改變,從而會降低測試Dk的準確性。 這一點往往無需過多擔心,除非某些材質具有較高的標稱Dk值(例如Dk大於6)。 較低標稱Dk值的材質通常各向異性較小。 總的來說,對於電路材質製造商來說,這是一種極好的大批量的測試方法,可用於Dk/Df檢測確保其材質的Dk/Df效能一致。


2、IPC-TM-650 2.5.5.13定義的分體圓柱形諧振器測試方法

該測試方法為圓柱形諧振器,顧名思義,它是分體式的,可以打開和關閉。 在層壓板生產完成後,蝕刻去除所有的銅箔,將待測材質(MUT)放在分體式圓柱形諧振器之間,並將其關閉後進行測試。 諧振器有多個不同的諧振峰,用戶可以選擇以評估Dk和Df,但這些不同的諧振峰的頻率各有不同。 該測試方法評估的是材質的X-Y平面的Dk/Df,而不是Z軸方向的Dk/Df。 此外,該測試方法也可以與夾緊帶狀線測試方法(Z軸法)測試相同頻率的Dk/Df,所以,如果用這兩種測試方法評估相同材質時,各自數據的對比可以得到被測材質MUT的各向異性。 值得注意的是,如果材質是各向異性的,則在使用夾緊帶狀線測試相同材質時,將與分體圓柱形諧振器測試得到不同的Dk值。


3、微帶線環形諧振器測試方法

這是一種基於電路的測試方法,環形諧振器電路設計在待評估材質上的作為測試載體。 環形諧振器通常通過開路的50Ω傳輸線作為饋線,將射頻訊號耦合到環形器諧振電路中(環形器看起來像一個非常窄的圓環)。 兩條饋線和環形諧振器之間的間隙非常關鍵,間隙區域的變化可能導致Dk選取不準確。 此外,如果環形器諧振的完成電路有較厚的鍍銅,對比在完全相同材質上但鍍銅層較薄的相同設計的環形諧振器電路,則較厚的鍍銅電路其間隙區域將在空氣中具有更多的電場,而造成諧振峰偏移。 由於鍍銅層的差异,選取得到的電路Dk值也會不同,這樣評估的材質的Dk值就不準確。 耦合間隙和鍍銅厚度的變化是正常的電路加工中的變數,基於該諧振環電路的測試將不得不包括這一點,但大多數材質測試並沒有這一變數。 鍍銅厚度在PCB製造過程中是一個自然的固有變數,當使用環形諧振器方法時,該厚度差异可能導致Dk測試的不準確結果。 假設工程師瞭解鍍銅厚度問題,瞭解它對Dk選取過程的影響,就可以排除這些變數而找到正確的材質的Dk值。 此外,該測試方法也會受銅箔表面粗糙度的影響,而前兩種測試方法並不受粗糙度影響。 環形諧振器評估的是材質的Z軸方向的Dk值。


對於電子設計工程師來說瞭解材質測試的方法之間的差异非常重要,特別是在比較材質表中的Dk和Df值時。 如果數據手册上已有某一Dk/Df值時,需要注意所採用的測試方法。 理想情况下,最好使用相同的測試方法和相同的頻率來比較Dk/Df數據。 當這種要求有時並不可行時,如果是不同的測試方法都測試評估的是Z軸方向Dk時,以大致相同的頻率下來比較也是相對好的對比。

當電子工程師比較材質材質表或評估材質Dk/Df特性用於新設計時,更為重要的是,建議諮詢材質製造商以瞭解獲取得到材質表中關鍵數據的Dk和Df測試方法。